Forskere sprænger jern med kraftige røntgenstråler, så se dens elektroner omarrangere

røntgen-fri-elektron-lasere, såsom Linac Coherent Light Source (LCLS) ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, producere intense røntgenimpulser, der gør det muligt for forskere at afbilde biologiske objekter, såsom proteiner og andre molekylære maskiner, i høj opløsning. Men disse kraftige stråler kan ødelægge sarte prøver, udløser ændringer, der kan påvirke resultatet af et eksperiment og ugyldiggøre resultaterne.

For at bekæmpe dette, forskere bruger en metode kaldet probe-before-destroy, som giver dem mulighed for at indsamle præcis information fra prøver i det øjeblik, før de sprænges fra hinanden, generere billeder, der bevarer information om den molekylære struktur af biologiske partikler såsom celler, proteiner og vira. Men indtil for nylig, det var uklart, hvor meget man kunne stole på denne metode til at måle elektronernes adfærd, da kraftige røntgenstråler kan påvirke elektroner meget hurtigere end atomer. Dette kan begrænse teknikkens anvendelighed til ultrahurtige kemiske processer, såsom dem, der er involveret i katalyse.

Nu, et hold ledet af SLAC-forskerne Roberto Alonso-Mori, Dimosthenis Sokaras og Diling Zhu har fundet en måde at få en præcis idé om, hvordan man tuner røntgenstrålen for at sikre, at den elektroniske struktur ikke er beskadiget, før de måler den, giver højere tillid til resultaterne af XFEL eksperimenter. I en første, holdet observerede, hvordan elektroner opførte sig i de første par femtosekunder, eller milliontedele af en milliardtedel af et sekund, efter en jernprøve blev sprængt med intense laserimpulser. Deres resultater, for nylig udgivet i Videnskabelige rapporter , demonstrere, hvordan specifikke egenskaber ved røntgenstrålen, såsom pulslængde eller intensitet, kan påvirke et atoms yderste elektroner, som er dem, der er med til at skabe og bryde bindinger under kemiske reaktioner.

Resultaterne vil gøre det muligt for forskere at finjustere pumpe-probe eksperimenter, hvor en laserimpuls initierer en reaktion i en prøve, og en røntgenimpuls måler straks omlejringen af ​​elektronerne. Ved at variere tiden mellem laser- og røntgenimpulserne, forskere kan lave en række billeder og sætte dem i en stop-motion film af disse små, hurtige bevægelser, giver indsigt i lysaktiverede kemiske reaktioner.

"Disse eksperimenter er et nøgleværktøj i vores teams forskningsprogram, "Siger Sokaras. "Evnen til omhyggeligt at få adgang til det 'acceptable' udvalg af LCLS-forhold vil give os mulighed for at udføre pumpe-probe-undersøgelser, der er både pålidelige og uden fortilfælde."

Holdet arbejdede tæt sammen med LCLS-acceleratorgruppen for at levere endnu kortere røntgenimpulser end normalt for at studere, hvordan elektronerne omarrangerede sig i de første par femtosekunder af eksplosionen. Et elektronstråle-streak kamera, XTCAV, var medvirkende til præcist at måle længden af ​​røntgenimpulserne.

Alonso-Mori siger, "Undersøgelsen validerer metoder, der er blevet brugt på LCLS i de sidste par år, afgøre debatten om, hvorvidt de er gyldige, eller om de indsamlede data allerede er ændret i de første par femtosekunder af de intense røntgenimpulser."

For at følge op på denne forskning, holdet håber at undersøge den elektroniske struktur med endnu højere intensitet, drage fordel af de seneste fremskridt med at forme og kontrollere røntgenstrålen.

"Dette kan bruges til yderligere at forstå de indledende stadier af dannelsesprocesser for varmt tæt stof ved XFELs, " siger Zhu, "som giver indsigt i dannelsen og udviklingen af ​​planetsystemer."